立式多級沖壓離心泵噪聲異常故障診斷及處理

馬胤琛，丁康康，武文金

（上海凱泉泵業（集團）有限公司，上海）

沖壓焊接立式多級離心泵揚程高、效率高，制造過程省時省材、流道特性好、水力性能優于傳統鑄造泵并且使用壽命長，維修替換方便，已經成為水泵領域未來發展的主方向。常運用在生活供水、污水廢水處理、煤礦抽水、原料運輸等場合。[1]由于其材質輕、機械結構復雜、流態容易不穩定，更容易產生噪音問題并對用戶的使用帶來嚴重影響。

引起沖壓焊接立式多級離心泵噪聲的原因可以分為機械噪聲和流體噪聲。其中，機械噪聲主要由沖壓泵轉子系統質量不均，水泵不對中、不平衡，臨界轉速、摩擦、泵底角松動等因素引起。流體噪聲主要由可壓縮介質流態變化引起，包括運行的流量、揚程、轉速和進出口壓力等因素的改變，都會導致流態發生變化，從而產生聲波。[2]比較典型的如壓力脈動，不同沖壓泵殼的內部結構，會導致局部速度和壓力的周期性變化，引起聲波。機械噪聲主要來自于機械結構振動和二次空氣噪聲，它所產生噪聲峰值的特征頻率為離心泵轉速的倍數[3]。流體噪聲主要由壓力脈動和汽蝕噪聲組成，這些噪聲已固體傳播噪聲的形式向外輻射。常見的噪聲主要為離散噪聲，表現為窄頻帶力（如轉動頻率、葉片通過頻率），與沖壓泵內部動靜干涉有關。而寬頻噪聲主要由湍流、汽蝕等引起，主要來自于流體和葉片相互的作用、葉輪和導葉的間隙，漩渦的生成、擴散、潰滅和空化等非定常流態現象有關[4]。

本文使用動態信號分析儀及配套傳感器對多個發生噪聲問題的用戶現場開展檢測，通過對不同頻率下沖壓泵振動、噪聲的檢測，找出故障原因，并提出解決方法。

1 立式多級沖壓離心泵測試裝置及測量方法

使用CoCo80-X 動態信號分析儀、PCB 噪聲傳感器和振動傳感器進行振動頻譜測試。通過對振動的時域信號進行快速傅里葉變換（FFT），得到振動頻率5-3 500 Hz 和噪聲頻率5-10 000 Hz 范圍內的頻譜圖，并評定頻譜圖各離散頻率上的波峰值[5]。

流體噪聲的特點是頻率覆蓋域很寬寬帶連續譜噪聲，其中也可疊加一些特征線譜。線譜噪聲反映了離心泵的結構特征，主要特征表現形式為軸頻、葉頻及其倍頻，這些與離心泵的動平衡、轉速以及葉輪葉片數相關[6]。由于傳統時域波形和頻域波形分析方法很難為識別提供具體依據，為了更準確地研究流噪聲，本文對沖壓泵運行過程中檢測出的噪聲進行離散希爾伯特變化，以此求得瞬時包絡，并對包絡做功率譜分析，來分析沖壓泵引起噪聲的原因。

2 立式多級沖壓離心泵噪聲故障案例分析

2.1 福州羅源標準智慧泵房故障案例

福州市羅源縣某居民樓標準智慧泵房其中一套供水機組(KQDQE50-20-105)發生噪聲過大問題。針對上述故障，2022 年1 月10 日，攜帶CoCo80-X 動態信號分析儀去用戶現場檢查。

2.1.1 故障診斷與處理

模擬用戶現場的運行工況，將頻率分別設置在41 Hz、43 Hz、45 Hz，觀察沖壓泵組噪聲情況，發現在上述頻率變頻運行時，泵組出現類似摩擦聲，噪聲尖銳刺耳。使用CoCo80-X 對噪聲較大的2 號泵開展測試，將沖壓泵41 Hz、43 Hz、45 Hz 變頻運行時，測試上軸承處三個方向的振動以及噪聲，發現沖壓泵振動值符合測試要求，噪聲值超標。觀察上述振動、噪聲的頻譜圖，由圖1 的測試結果噪聲頻譜與振動頻譜可以看出，噪聲在1X、2X、3X、4X 等處存在明顯特征頻率，對比噪聲頻譜與振動頻譜分析兩者特征頻率明顯而且規律性一致皆以其倍頻形式出現；在包絡譜中還可看出，以2 倍轉頻和轉頻為主，轉子系統存在軸彎曲與聯軸器不對中現象。

圖1 噪聲與振動包絡譜頻譜

測試完成后現場對系統進行拆卸，發現最底部一級葉輪口環與導軸承磨損較為嚴重，由底部向上磨損逐級減輕；且花鍵軸目測出現略微彎曲，較大程度磨損。

2.1.2 解決措施與建議

（1）由于沖壓泵轉子系統存在軸彎曲與聯軸器不對中現象且最底部一級葉輪口環與導軸承磨損較為嚴重，決定在用戶現場拆下并重新更換口環磨損較為嚴重的葉輪，并對葉輪的安裝順序進行調整，重新安裝。然后重新對沖壓泵振動和噪聲開展測量，結果噪聲明顯降低，測試值符合沖壓泵噪聲測試標準。

（2）沖壓泵定轉子結構碰摩出現噪聲，更換葉輪并重新裝配后泵運行噪聲正常，現場拆解和振動頻譜都表明引起的原因是轉子系統的軸彎曲和聯軸器不對中，可能是由于聯軸器出現滑動引起；在41 Hz-45 Hz 變頻運行時出現尖銳刺耳的噪聲，振動頻譜中也出現噪聲對應的頻率，且該頻率隨轉速變化，可能是定轉子碰摩產生的流體激振引起的。

（3）由于同類沖壓泵產生了多起類似的噪聲過大的問題，建議在沖壓泵安裝過程中，控制聯軸器對電機軸和泵軸的壓緊力，避免出現聯軸器滑移和對中偏角；在沖壓泵出廠檢測的過程中，需要對聯軸器不對中的檢測方法和指標提出更嚴格的要求。

2.2 蘇州某高樓供水機組故障案例

蘇州某高樓商場供水泵房使用三套沖壓泵機組（包含 6 臺沖壓泵），其中一臺沖壓泵KQDQE50-16-130，當運行頻率為40 Hz 時，噪聲過大。圖2 的測試結果噪聲頻譜與振動頻譜可以看出，特征頻率明顯而且規律性一致皆以倍頻形式出現（與福州2.1 測試結果基本一致）。經過多方商議，決定更換泵頭，最終噪聲有所改善。

圖2 噪聲與振動頻譜

2.3 昆山某寫字樓供水泵房沖壓泵故障案例

昆山一新建寫字樓供水泵房使用四臺變頻沖壓泵做為供水設備。經用戶反饋，其中一臺KQDQ-80-45-98 存在較大噪聲，對現場環境造成極大影響。通過和用戶溝通，確定用戶現場樓高66 m，用戶通常將電機頻率設置在35 Hz 運行。

2.3.1 故障診斷與處理

模擬現場工況運行情況，將沖壓泵運行到35 Hz，觀察噪聲情況。發現存在類似于水流沖擊的較大噪聲，且噪聲來源主要在泵體處，電機有輕微的蜂鳴聲。使用CoCo 頻譜分析儀對用戶現場發生故障的泵開展噪聲檢測，分別對電機法蘭、進出處開展測量，發現兩處噪聲都超過噪聲測試標準，且進出口處噪聲略大于電機法蘭處噪聲，測試數據結果與分析結果見表1 和圖3 所示。

表1 沖壓泵噪聲現場測量值(dBA)

圖3 A 計權下聲壓級噪聲頻譜

2.3.2 解決措施與建議

（1）提升軸的方法調整間隙，將軸提升1.5 mm，重新擰緊機封。再次將電機頻率設置在35 Hz 處運行，沖壓泵噪聲明顯改善。

（2）噪聲正常與異常時對比發現頻段Ⅱ差異性較大，聲貢獻量同樣較大，而且主要為寬頻帶（流體噪聲），因此頻段Ⅱ是引起噪聲異常的主要頻率范圍。

（3）結合拆卸部件，初步考慮該頻帶產生的噪聲由摩擦或水流沖擊導致。而摩擦或水流沖擊，皆因“轉子部件、零件一致性問題”等原因導致。轉子系統（聯軸器軸向滑移）軸向位置改變導致流道改變，引起水力激振。

（4）控制聯軸器對電機軸和泵軸、的壓緊力，避免出現聯軸器滑移和對中偏角；確定聯軸器不對中的檢測方法和指標。

3 結論

立式多級沖壓離心泵噪聲問題是多方面因素導致的。本文通過收集不對中、碰摩、水力激振等引起沖壓泵噪聲多種機械、流體噪聲的典型案例開展故障診斷。通過包絡頻譜分析的方法對振動、噪聲信號開展分析，完成故障判斷，針對福州、蘇州、昆山等沖壓泵噪聲過大問題提出解決方案，并為公司沖壓泵系列產品質量提升提出改進建議。